CN103984357B - 一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统，包括：图像采集模块，采用折反射式全景立体成像设备进行全方位立体场景采集；导航模块，用于提供地理坐标信息；中央处理器模块，根据导航模块提供的地理坐标信息对图像采集模块获取的全方位立体场景进行障碍点探测和有效飞行路径障碍点的判断和提取，并设计最优航迹路径；飞行控制器模块，根据所述中央处理器模块设计的最优航迹路径信息实时控制无人机上的执行机构模块进行相应飞行动作，该系统能够在三维环境中有效地为无人机规划最优航迹路径。

Description

一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统

技术领域

本发明涉及无人机自主控制领域，尤其涉及一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统。

背景技术

无人机飞行时，为了达到预期的侦测并避开障碍物等功能，需要对飞行环境进行态势分析及威胁评估，规划一条合理的航迹路径，然后让微型旋翼式无人机按此指定的航迹路径飞行或飞经感兴趣的地点，以完成给定的任务。而微型旋翼式无人机要完成预定的任务，只有沿着规划的航迹路径飞行才能实现。在给定微型旋翼式无人机飞行控制结构的情况下，需要对微型旋翼式无人机的运动状态和飞行轨迹进行精确的数学建模和规划控制。目前二维平面的无人机路径规划技术已取得了丰硕的成果和广泛的应用，还没有一种很好的系统能够在三维环境中有效地规划最优航迹路径。

发明内容

本发明鉴于上述情况而作出，其目的是提供一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统，能够在三维环境中有效地为无人机规划最优航迹路径。

本发明提供一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统，包括：

图像采集模块，采用折反射式全景立体成像设备进行全方位立体场景采集。

导航模块，用于提供地理坐标信息。

中央处理器模块，根据导航模块提供的地理坐标信息对图像采集模块获取的全方位立体场景进行障碍点探测和有效飞行路径障碍点的判断和提取，并设计最优航迹路径。

飞行控制器模块，根据所述中央处理器模块设计的最优航迹路径信息实时控制无人机上的执行机构模块进行相应飞行动作。

其中，所述中央处理器模块设计最优航迹路径包括：

步骤S1，根据无人机外形尺寸建立安全飞行半径，计算公式为：

$R=\frac{1}{2}{v}^2/a,$

其中，安全飞行半径R为旋翼无人机由运动到悬停所飞行的距离，v为无人机飞行的最大速度，a为通过螺旋桨推力得出的加速度。

步骤S2，根据导航模块与图像采集模块获取的场景立体图像进行障碍点的识别和障碍点地理位置和深度信息提取。

步骤S3，根据无人机的运动方向以及未知环境障碍点间、未知环境障碍点与无人机椭球体之间的几何关系，进行前进方向上的无效障碍点对应的非有效路径数据野值剔除。

步骤S4，设计最优航迹路径。

进一步地，所述设计最优航迹路径包括：

当探测到第一障碍点，并且只有一个障碍点时，将第一障碍点到当前无人机航迹的距离与无人机安全飞行半径进行比较，若前者较小，在以第一障碍点为中心，以安全飞行半径为半径构成的圆上做以无人机为原点的切线和以目标为原点的切线，取两条切线中距离较短的为更新之后的最优航迹路径。

进一步地，所述设计最优航迹路径还包括：

当改变航迹后再次探测到第二障碍点，并且此时所述第一障碍点依然对航迹有影响，或者同时探测到两个障碍点时，首先判断第二障碍点是否对现有航迹有威胁，即它到航迹的垂直距离是否大于安全飞行半径，如果距离小于安全飞行半径，并且两个障碍点在现有航迹的同侧，则通过所述计算切线距离的方法计算并修改最优航迹路径，如果两个障碍点在现有航迹的异侧，则判断两个障碍点之间的距离是否大于安全飞行半径的两倍，当两个障碍点之间距离大于等于无人机安全飞行半径的两倍时，修改最优航迹路径为从两个障碍点之间通过，当两个障碍点之间距离小于无人机安全飞行半径的两倍时，则修改最优航迹路径为绕过第二障碍点的外侧。

进一步地，所述设计最优航迹路径还包括：

当探测到三个或三个以上的障碍点时，根据无人机的控制模型和每个障碍点的坐标构建以无人机重心为原点的三维空间，计算所有障碍点两两之间空间距离，将空间距离小于安全飞行半径两倍的区域剔除，并以无人机当前位置为起点，根据降维映射法在剩余的区域内计算并选择最优航迹路径。

优选的，所述系统还包括数据存储器模块，用于存储获取的实时场景和障碍点信息。

优选的，所述系统还包括电源模块，为所述系统供电。

优选的，所述系统还包括通信模块，通过无线通信将实时场景和障碍点信息发送至地面终端，用于显示实时场景和飞行路径信息。

优选的，所述中央处理器模块和飞行控制模块为AT91SAM9G45处理器，所述数据存储模块为加载在无人机上的SD卡装置。

优选的，所述无人机为微型四旋翼式无人机。

本发明能够在三维环境中有效地为无人机规划最优航迹路径。

附图说明

图1是本发明的一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统的结构示意图；

图2是本发明的设计最优航迹路径方法的流程处理示意图；

图3是本发明的计算无人机安全飞行半径的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提供一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统，能够在三维环境中有效地为无人机规划最优航迹路径。

如图1所示，一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统，包括：

图像采集模块1，采用折反射式全景立体成像设备进行全方位立体场景采集。

导航模块2，用于提供地理坐标信息。

中央处理器模块3，根据导航模块2提供的地理坐标信息对图像采集模块获取的全方位立体场景进行障碍点探测和有效飞行路径障碍点的判断和提取，并设计最优航迹路径。

飞行控制器模块4，根据中央处理器模块3设计的最优航迹路径信息实时控制无人机上的执行机构模块5进行相应飞行动作。

电源模块6，为系统供电。

数据存储器模块7，用于存储获取的实时场景和障碍点信息。

通信模块8，通过无线通信将实时场景和障碍点信息发送至地面终端的地面通信模块9，并在地面显示模块10上显示实时场景和飞行路径信息。

中央处理器模块3和飞行控制模块5为AT91SAM9G45处理器，数据存储模块4为加载在无人机上的SD卡装置。

无人机为微型四旋翼式无人机。

如图2，图3所示，中央处理器模块设计最优航迹路径包括：

步骤S1，根据无人机外形尺寸建立安全飞行半径。计算公式为：

$R=\frac{1}{2}{v}^2/a,$

其中，安全飞行半径R为旋翼无人机由运动到悬停所飞行的距离，v为无人机飞行的最大速度，a为通过螺旋桨推力得出的加速度。

步骤S2，根据导航模块与图像采集模块获取的场景立体图像进行障碍点的识别和障碍点地理位置和深度信息提取。

步骤S3，根据无人机的运动方向以及未知环境障碍点间、未知环境障碍点与无人机椭球体之间的几何关系，进行前进方向上的无效障碍点对应的非有效路径数据野值剔除。

步骤S4，设计最优航迹路径。

进一步地，所述设计最优航迹路径包括：

当探测到第一障碍点，并且只有一个障碍点时，将第一障碍点到当前无人机航迹的距离与无人机安全飞行半径进行比较，若前者较小，在以第一障碍点为中心，以安全飞行半径为半径构成的圆上做以无人机为原点的切线和以目标为原点的切线，取两条切线中距离较短的为更新之后的最优航迹路径。

进一步地，所述设计最优航迹路径还包括：

当改变航迹后再次探测到第二障碍点，并且此时所述第一障碍点依然对航迹有影响，或者同时探测到两个障碍点时，首先判断第二障碍点是否对现有航迹有威胁，即它到航迹的垂直距离是否大于安全飞行半径，如果距离小于安全飞行半径，并且两个障碍点在现有航迹的同侧，则通过所述计算切线距离的方法计算并修改最优航迹路径，如果两个障碍点在现有航迹的异侧，则判断两个障碍点之间的距离是否大于安全飞行半径的两倍，当两个障碍点之间距离大于等于无人机安全飞行半径的两倍时，修改最优航迹路径为从两个障碍点之间通过，当两个障碍点之间距离小于无人机安全飞行半径的两倍时，则修改最优航迹路径为绕过第二障碍点的外侧。

进一步地，所述设计最优航迹路径还包括：

当探测到三个或三个以上的障碍点时，根据无人机的控制模型和每个障碍点的坐标构建以无人机重心为原点的三维空间，计算所有障碍点两两之间空间距离，将空间距离小于安全飞行半径两倍的区域剔除，并以无人机当前位置为起点，根据降维映射法将三维空间路径规划问题转化为二维平面路径规划，计算出每条路径所需距离，根据最大最小原则，选择最优航迹路径。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种基于全景立体成像设备的无人机自动避障飞行系统，其特征在于，包括： 图像采集模块，采用折反射式全景立体成像设备进行全方位立体场景采集；导航模块，用于提供地理坐标信息；中央处理器模块，根据导航模块提供的地理坐标信息对图像采集模块获取的全方位立体场景进行障碍点探测和有效飞行路径障碍点的判断和提取，并设计最优航迹路径；飞行控制器模块，根据所述中央处理器模块设计的最优航迹路径信息实时控制无人机 上的执行机构模块进行相应飞行动作；

所述中央处理器模块设计最优航迹路径包括：

步骤 S1，根据无人机外形尺寸建立安全飞行半径，计算公式为 ：R=v²/2a

其中，安全飞行半径R为旋翼无人机由运动到悬停所飞行的距离，v为无人机飞行的最大速度，a为通过螺旋桨推力得出的加速度；

步骤S2，根据导航模块与图像采集模块获取的场景立体图像进行障碍点的识别和障碍点地理位置和深度信息提取；

步骤 S3，根据无人机的运动方向以及未知环境障碍点间、未知环境障碍点与无人机椭球体之间的几何关系，进行前进方向上的无效障碍点对应的非有效路径数据野值剔除；

步骤S4，设计最优航迹路径；

步骤S4中，所述设计最优航迹路径包括： 当探测到第一障碍点，并且只有一个障碍点时，将第一障碍点到当前无人机航迹的距离与无人机安全飞行半径进行比较，若前者较小，在以第一障碍点为中心，以安全飞行半径为半径构成的圆上做以无人机为原点的切线和以目标为原点的切线，取两条切线中距离较短的为更新之后的最优航迹路径；

步骤S4中，所述设计最优航迹路径还包括：当改变航迹后再次探测到第二障碍点，并且此时所述第一障碍点依然对航迹有影响，或者同时探测到两个障碍点时，首先判断第二障碍点是否对现有航迹有威胁，即它到航迹的垂直距离是否大于安全飞行半径，如果距离小于安全飞行半径，并且两个障碍点在现有航迹的同侧，则通过计算切线距离的方法计算并修改最优航迹路径，如果两个障碍点在现有航迹的异侧，则判断两个障碍点之间的距离是否大于安全飞行半径的两倍，当两个障碍点之间距离大于等于无人机安全飞行半径的两倍时，修改最优航迹路径为从两个障碍点之间通过，当两个障碍点之间距离小于无人机安全飞行半径的两倍时，则修改最优航迹路径为绕过第二障碍点的外侧；

步骤S4中，所述设计最优航迹路径还包括：当探测到三个或三个以上的障碍点时，根据无人机的控制模型和每个障碍点的坐标构建以无人机重心为原点的三维空间，计算所有障碍点两两之间空间距离，将空间距离小于安全飞行半径两倍的区域剔除，并以无人机当前位置为起点，根据降维映射法在剩余的区域内计算并选择最优航迹路径。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括数据存储器模块，用于存储获取的实时场景和障碍点信息。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电源模块，为所述系统供电。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括通信模块， 通过无线通信将实时场景和障碍点信息发送至地面终端，用于显示实时场景和飞行路径信 息。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述中央处理器模块和飞行控制模块为AT91SAM9G45处理器，所述数据存储器模块为加载在无人机上的SD卡装置。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机为微型四旋翼式无人机。